基于单片机的公交车自动报站系统设计

基于单片机的公交车自动报站系统设计摘要在本论文中设计了可以实现公交车自动报站的系统，它拥有语音自动广播同时能够实时显示到站信息。在整个设计里，能够解决目前存在的旧公交系统中一些运行风险，同时也减少了司机的工作负担，在本设计中针对性的提高了运行过程中的抗干扰性的同时优化了距离算法能够更好的与公交车的外围设备进行交互。本设计再开始之初提前调研了社会上公交车报站存在的相关短板，以及国内外的相关发展现状，根据最后实际的调研结果分析并设计了此次设计的整体思路。主要是：音频的收集和功放、定位模组、控制模组、储存模组和外设五个主要组成。在本文中设计了整个系统中需要用到的相关软硬件并且得到了实现。其中包含：音频的收集和功放、音频的编解、通信接口及能够实现报站的相关软件等。音频的收集和功放主要是通过对于AD/DA的调用和音频采集速度，最后设定相关的缓存得以实现。音频的编解则是通过针对语音的开源免费的音频压缩格式进行解压和调用并将数据进行储存。通信接口及能够实现报站的相关软件是通过SPI、RS485进行通信，再通过位置定位、处理后进行自动运行的软件。最终针对于此次设计进行了相关的实际测试，针对于测试线路进行了往返测试，得到了相关的系统适用性的分析。关键词：定位；实时报站；公共交通；音频编解；音频收集

目录39451.1研究的背景以及意义 第一章绪论在近些年中，城市的发展也带动了经济的高速发展，但与此同时我们也面临着更加严重的出行时交通堵塞的问题。因而，急需成立一个顺应时代更加完善、便利且成本低廉的公共交通方案。从前公共交通所使用的人工报站的方式会分散司机开车的精力，造成危险驾驶的风险直线上升。最近几年随着科学技术的飞速发展，公共交通也迎来了新的模式发展，而自动运行的报站系统更是主要的科研方向。1.1研究的背景以及意义公共交通是目前缓解出行交通问题的最有效方式之一，它拥有着诸多优点，一直得到着国家和人们的认同，是国家的重点与民生相关项目和基础设施，同时也是大多数居民所选择的方式。但是随着发展，因为无人售票的方式取代了从前售票员的方式，报站工作也就此转移到了司机身上，在此过程中，司机在报站时分散了行驶的专注程度，造成了安全驾驶的风险但在实，发生交通意外地事故率也因此提高。所以，如何进行改善提高目前有较高风险的传统方式，将现代科技运用到自动报站中具有较高的科研价值。1.2国内外研究现状在发达国家，因为早已经历过因为汽车保有量带来的后续问题，在经历漫长的改善后，公共交通整个系统变得比较完善，已经开始转向为乘客服务全自动化阶段，包括了自动报站，协助残障人士的脚踏板等等。尤其在美国对于公交车的看重，已经将车辆的设计归进法律，使智能化的设计能够加速公共交通安全发展。但在目前国内公共交通仍在逐步发展的过程中，大部分城的公共交通多为政府补贴，并不实现盈利，所以在改善的过程中经费也成为了延缓发展的原因之一，在一些发展缓慢的区域仍在使用较为落后的公交系统，而部分较为发达的城市，智能化的公交已经开始逐步投放。1.3研究的主要内容本设计实现了公共交通的自动报站系统，使用单片机实现音频的收集和功放以及自动报站的实现。主要方向分为以下几个方面：(1)实现整个系统对于自动报站的技术需求。(2)梳理大体思路，得出为实现功能所需要的设计。(3)通过设计的思路得出所需硬件。(4)通过设计进行编程以便于利用软件逻辑能实现定位功能、音频功能。(5)进行整体软硬件的总装测试，记录各个模块的运行数据。1.4论文主要内容本设计主要是为了针对目前公共交通的需求实现自动报站。主要针对于智能化、低廉、安全、使用进行设计，选择出最适合公共交通现状的软硬件模块。本文的主要内容为：第一章：介绍了本设计的研究现状、意义和对于实际应用的帮助。第二章：主要建立起了本设计的主要思路，将设计中采用的模块介绍解读，说明了选择的原因。第三章：设计整体的硬件架构路线构，表述原理和功能以及串口的通讯方式，设立了音频的收集和功放、定位模组、控制模组、储存模组和外设五个主要组成。第四章：主要表述了软件方面的框架和设计如何实现相应的需求。通过SPI、RS485进行通信，再通过位置定位、数据经过处理之后自主运行。第五章：针对于设计进行实际测试，获得测试过程中的相关数据，将数据进行解读。第六章：对显现出的不足进行优化和改进的相关思考。

第二章自动报站系统设计方案本设计主要是避免司机在行驶时分散精力，实现到站的自动播报。主要原理为通过车上的主控制端对车辆的实时数据接收和分析得出所在位置信息进行播报。本章主要阐述了设计的整体思路、关键部分和组成。2.1设计思路与目的本设计主要是为了取代旧模式下的人工报站，使司机工作量减轻，提高运营过程中车辆行驶的安全系数。方案为当公交车即将到站，位置信息将能够定位相应站点，同时通过视频和音频与乘客进行反馈。针对于以上需求，进行了以下设计：定位模组：需要在车辆到达站点附近时，系统得到精准输入，进而输出到站信号。音频模组：利用车载功放，传出到站信号。音频录制：提前录制需要播放的音频，当信号触发则播放相应音频。显示功能：通过车载的显示屏，通过文字重复显示到站信息。2.2系统设计方案主要为：音频的收集和功放、定位模组、控制模组、储存模组和外设。通过定位模组收集实时的位置信息，输入给主控制端进行数据处理，转化为语音数据播放；显示模组显示文字到站信息；存储模组主要为提前存入的播报以及位置信息；车载外设主要为功放和显示屏。主要框架如图2-1所示。图2-1系统总体框架图主控制芯片是整个设计中最重要的部分，从才能让各个模组联合成为一体协同工作实现系统功能。同时还要兼具调试功能，对各个模组的配合进行调试更加贴合需求功能。定位模组同样为重要的组成部分，该模组用于获取公交车目前的相关位置数据，用于主控制芯片的数据输入。音频采集模组主要用于预先录制报站音频或实时通知。音频播报模组主要用于实现到站信息的播报。显示模组用于调试功能以及文字显示到站信息。车载的外设部分包括了功放、显示屏。显示车辆信息、到站信息、路线信息等等。存储模组储存预先录制好的语音播报以及各种需要显示的文字。2.3车辆定位功能关于本设计功能的实现，需要主控系统识别公交车辆到站信息。所以此时著控制系统需要有能力判断车辆的位置信息。因此，本设计采用GPS模组作为采集位置信息的方式，同时具有：操作简便、成本低廉、位置信息精度高等优点。2.4音频的采集与功放音频采集和功放模组主要用于预先录制报站音频或实时通知和播报。因此整个系统的主机和从机需要相互通信并得到控制。本设计中运用了模拟放大电路可以进行调试和功放两种情况。考虑到成本和实际使用是的复杂程度才整个模块中选用了MCP601运算放大器，其具有运行效率高、功耗低、输出高等优点同时拥有较宽的带宽能够兼容A/D转换器的驱动放大器。音频的功放选择了体积较小的TS4871音频放大器，较为适合前期调试工作。2.5报站信息的存储与显示报站信息的显示和缓存是整个设计中的重要一环。在系统中需要预先储存站点文字信息和报站录音音频，同时，因为公共交通线路繁多，也需要将整个线路地图进行保存，所以在设计中采用了SD储存卡。显示系统也是为了显示控制信息和站点的文字信息，所以同样不可或缺，采用了LED显示屏。2.6车载外围设备通信协议因为公共交通车厢面积较大，为了考虑线路铺设的远距离传输，本设计选择了RS485接口，能够很好的抗噪声、抗共模干扰，除此以外此接口还可以连接多达128个信号的收发器，能够保证多个公共车辆之间稳定的通信，同时选择不同车辆之间的随意配置。本设计将RS485组合成为了半双工网络，所有外设将直接通过此接口与主控制器进行通信，又因RS485为二线制，更加简化了复杂程度又提高了抗干扰性。2.7本章小结第二章主要是对于为了实现所需功能设计的各个部分进行类详细的分析：关于音频收集和功放、储存功能、显示功能、通信协议等对应着预录制、自动报站、调试功能。同时根据优缺点、预算等要求对于相应的模组进行了选择和详细介绍，也介绍了相应模组的实现方案。

第三章自动报站系统硬件设计在整个设计中主要为主控制芯片和对应的最小系统；定位功能主要是需要GPS进行实现；而音频收集有着输入输出电路，公交车上的功放是通过RS485实现了通信，从而能控制外设进行播放到站播报。存储模块采用了SD卡。本章针对于上述的各个模块进行了组合并拿出了交互实现功能的完整方案。3.1系统硬件设计概述本设计的主要硬件部分采用了ARM和32单片机为主要的控制模块、GPS模组给出了当公交车要运行时的详细经纬数据，相关的数据信息在SD卡中再通过外设、输入输出、显示、功放、电源等模组才实现了全部报站设计的硬件部分。公交车实现自动报站的完整硬件系统如图3-1所示。图3-1公交报站系统硬件框图GPS模组所获得的实时位置信息将经过串口通信给到主要控制芯片32单片机，通过SPI总线将储存在SD卡中的预录制录音和站点信息进行提取。经过主要控制芯片将实时数据进行处理获得位置后，提取相应的报站信息，再由功放和LED屏幕通过RS485进行播报和文字显示，同时在按键模组可以实现实时喊话。电源电路可以将车载的电源进行转化供整个电路使用。至此，整个硬件模块用以实现整个设计的功能。3.2系统主控设计在本设计中，重要控制芯片为重要组成部分，需要拥有较高性能，而STM32I405正好能够满足设计中所需要的引脚、串口通信、高速处理速度等功能。STM32F405微处理器的最小系统主要为：电源、复位电路、振荡电路等。该系统的时钟复位的时钟选择了具有16MHz的内部RC振荡器。同时系统外接了8MHZ的振荡器的引脚是OSC_IN和OSC_OUT；利用串口通信于GPS模组进行输入输出交换；音频采集使用PC3与ADCIN相连接；PA5连接DAOUT进行音频的输出；PC6、PC7、PC8、PC9、PA8与屏幕进行连接，实现字体的显示，最小系统整体如图3-2所示：图3-2最小系统又因为在主控制电路周围存在着不稳定的杂散电容会造成晶振的不稳定，所以加入了10-30pf的负载电容使得整个电路能够稳定准确，也防止在使用过程因为电容小了谐振的阻抗又会升高导致输出变小。相关电路如图3-3所示。图3-3振荡与复位电路3.3公交车定位模块定位的实现主要是采用了GPS定位模组，在本设计中采用了G591B模块，主要因为该模块有着多径探测且进行矫正的能力，便于在复杂的道路上获得位置信息，同时其还具有材料屏蔽的能力可以抑制RF辐射，工作电压为2.7V-4.2V，定位模组电路如图3-4所示。图3-4G591B模块接口电路图在电路图中，釆用3.3V的电源输入，主要是通过将VCC_IN与VDD相连从公交车的车载电源稳压获取。还放了内置天线利用ANT连接；RXA和TXA输入输出的方式进行数据的传输，要与主控制芯片相连。3.4音频采集模块音频的采集是通过模拟的放大电路进行采集再完成AD到DA的转换工作，主要使用的是MCP601的运算放大器具有功耗低、运行速率快，输出大等优点，并具有较宽的带宽可以带动AD转换器。图3-5音频输入电路如图3-5为音频采集电路主要利用的是MCP601同时通过录制进行AD采样。在此电路中J1为麦，ADCIN职责为输出接到主控制器的AD输入。3.5系统主板语音播放与信息显示为了减少实际在车上的调试时间，需要在设计中加入调试功能，所以在主控制系统中加入了显示和功放，便于调试。3.5.1音频输出电路音频的播放功能依赖于DA方式进行了数据的交互，随后通过功放进行外放。与此同时，TS4871对音频进行了放大处理。图3-6音频输出电路如图3-6是音频播放电路。主控制器将从SD卡中提取出相应的站点的文字以及音频信息，当进行录音时，将直接由AD进行采集输出到DAOUT经过TS4871后直接通过功放进行播报。3.5.2显示模块为了更加直观的看到调试结果，需要在调试时连接外设屏幕进行显示。同时在实际使用过程中，仍然需要屏幕对到站信息和位置信息进行显示，所以应该选择更加节能、色彩更加丰富的OLED屏幕，它也兼具抗震、结实的特点，减少行驶过程中的安全隐患杂。OLED采用3-5.5V供电且具有SPI通信，设计电路如图3-7所示。图3-7OLED电路3.6车辆音频功放与文字显示车上加装的显示屏幕主要是利用RS485才能进行是数据的传输和显示，优点是抗干扰性极强，稳定性很好且具有一定的兼容性。其硬件电路设计如图3-8所示：图3-8RS485通信电路3.7存储模块储存也是整个设计中的重要一环。在系统中需要预先储存站点文字信息和报站录音音频，同时，因为公共交通线路繁多，也需要将整个线路地图进行保存，所以在设计中采用了SD储存卡将它放入整个系统既低功耗又解决了储存问题。SD卡通信协议有两种：SD和SPI两种模式。为了让电路变的更加简单，选用SPI模式。SPI模式的优势就在于可以让主机变得简单化。而SPI模式缺点是损失了一些速度性能。其硬件电路如图3-9所示。图3-9SD卡通信电路3.8按键电路在本电路中一共设计了四个按键包括喊话、录音、自动、调试四个功能，其硬件电路设计如图3-10所示：图3-10按键电路电路主要是利用按键与上拉电阻串联后并联一个去抖电容实现减少抖动的目的。3.9电源电路因为本设计使用在公交车上，所以电源为24V，为了可以给设计使用需要进行降压处理，解决方案为使用MC34063AD和LD1117-3.3芯片使公交车的车载电源进行降压，电路设计如图3-11所示图3-11电源电路如图3-11利用MC34063AD芯片针对于24V转化为5V的电压的设计。负载调整率低且电压稳定为5V，对于本次设计具有相当的性价比图3-125V-3.3V电源电路图-12则是利用LD1117-.去达到5V转化为.V的设计。此设计为一种正向的降压器，将5V电压滤波后转化为.V电压。3.10本章小结本章主要阐述了关于硬件方面的设计思路，分析了各部分的功能设计以及接口，针对于芯片的最小系统、GPS模组、数据传输电路、储存、通信、电源进行了详细解释和相关的电路设计，同时对应了各个功能提出了优缺点的选择。

第四章公交报站系统软件设计根据整个设计中的硬件搭建，需要一个合适的软件系统去支持硬件的整体运行才能实现设计的功能要求。本章主要阐述了整个软件的设计思路以及实现能狗满足的所有功能，主要包括了储存部分、音频的播放、文字的显示、通信协议、定位数据的处理等。4.1软件设计阐述在整个软件的设计中主要需要的是：音频的采集和功放、音频的解码和编码、定位数据的处理、整体数据的存储。将32单片机等进行初始化设计后设置系统的状态、选择相应的功能，流程为图4-1所示。软件主要使用了四种功能实现了自动播报到站信息、预录制、实时喊话、调试。预录制功能主要是通过功能按键，通过AD进行采集转换。实时喊话主要是避免GPS信号弱的情况下无法继续实时播报，可以改换成人工报站作为备选方案，同时可以选择直接调出储存在SD卡中的站点信息手动播报和显示。自动播报和实时喊话的不同在于，自动播报是使用实时的位置信息控制功放的播报，系统控制信息的读解码，并实时播报。调试功能的实现主要体现在显示和音频的调试，在安装在公交车上之前提前进行调试，减少实际安装时的调试时间。主要调试为文字、语音、站点信息，语音的准确性和音量大小等等全部流程图如图4-1所示，State代表了工作状态，0则代表了未开始工作，若工作状态为1则是处于录制音频；若工作状态为2则是处于人工报站的功能中；当系统状态为3时，将会进行自动播报，自动识别实时位置；当系统状态为4时，则为调试状态，进行相应功能的调试，基本通过按键来实现，也可以通过按键调整系统状态值。图4-1公交自动报站系统软件流程图4.2模块初始化整个设计中，将软件进行初始化工作主要分为主要控制、存储、音频的采集和功放、通信和显示五个部分。将32单片机为主的主要控制芯片配置出正常工作参数；音频的采集和功放主要是通过AD\DA来实现；存储的SD卡将提前储存工作所需数据，并要保证数据并不会丢失；通信部份的模组则主要采用了RS485进行反干扰的稳定数据传输；显示部分则主要是OLED屏幕在参与整个过程，实现相应的功能4.3自动播报站点信息自动播报站点信息主要是通过主控制系统给车载外设传输相应的数据从而实现预录制语音的自动播报，同时利用定位模组对当前位置进行判断，准确的播报站点，自动的播报包含了对于音频的采集，同时进行音频和数据的读解码、主控制器和外设的通信、实时定位、数据处理等。4.3.1Speex简介Speex为开源的为音频编解码服务的软件，主要功能就是对获取信号进行编解码或压缩，它能够将音频解压的同时还拥有极高的还原度，免去了担心失真的问题。因此该软件也被广泛地应用在了音频相关的设备上。Speex主要优缺点有以下几点：（1）该软件为开源软件，没有侵权风险；（2）窄带和宽带的语音能出现在同一比特流中；（3）比特率可从2Kbit/s到44Kbit/s；（4）具有VBR；（5）具有音频的活动探查；（6）具有一定的可变的复杂程度；（7）Speex实在CELP的基础上进行制作形成的，CELP主要是包括以下三个方面：①针对模拟声道建立了线性预测模型。②两种固定或自动码本为LPM服务。③利用“感知加权领域”开始闭环搜索。因为公交车的自动播报系统对于音质方面没有较高的要求，所以完全可以利用Speex的软件库进行音频的压缩和解压。4.3.2SD卡存储存储设备是在本设计中不可或缺的一部分，显示的字符、行驶的线路信息、播报音频等等信息都需要储存。在硬件选择时决定使用SD卡进行存储，SD卡进行储存信息不易丢失，体积较小且功耗极低。在本设计中主要是通过SPI的通信实现了信号的输入和输出的同时利用文件管理软件对信息进行管理。（1）SPI简介SPI是一种串行的外设接口名称，它有着全双工、效率高以及能够同步串行的通信线，它只包含了四部分为串行时钟SCK；数据线MOS1、MISO以及从机选择线SS。使用SPI总线可能出现从机的MISO具有未开始传递数据时具有很高阻抗的三态特性。如图4-2所示。图4-2SPI主从模式图在整个设计中，将不针对SPI的通讯协议进行操作，只采用32单片机的SPI作为外设，当SPI初始化后，检测数据输入输出的标志位进而判断读取状态。（2）文件系统FatFsModule作为FAT文件的系统模块是一款完全开源自由使用的软件，它有着极多的给嵌入式系统提供服务的案例。FatFsModule使用C语言进行编程因而具有极强的硬件平台独立特质和良好的层次性，可以直接应用到许多种类的单片机中几乎不需要作出修改，如图4-3所示：图4-3文件系统结构图在结构图中最上面的为应用层最顶层是应用层，在使用时只需要调解f_open、f_read、f_write、f_close、f_mkdir等接口函数而不需要处理它的内部结构或者通信协议。如图所示，读写协议主要是通过中间层实现目的。同时还要再次设定底层逻辑：存储媒介读写接口DiskIO和实时时钟的相关代码。在本设计中主要为SPI进行通信，SD卡进行储存，但SD卡使用时会直接为默认设置，如果想要切换到SPI通信模式则需要在收到RESTE命令的同时降低CS。DI连接MOSLDO连接MISO，CS连接SS。对于DiskIO的编程需要在SPI初始化后为基础。同时在设计中为了方便系统的调用要对需要储存的文件进行管理和存放。4.3.3语音解码自动播报的实现需要在储存模块里读取预录制的音频信息，在到达站点时，通过MCU进行信息的读取和解码，其流程图如图4-4所示：图4-4语音解码流程图因为Speex在解码时会对音频信号的功放产生影响，为了解决这个问题，设计了双缓冲区，它能实现交替编解码的工作，主要的工作原理为有了两个数据缓冲区之后当主机从第一个缓冲区传输数据给外设的时候，第二个缓冲区可以不受影响的获取数据进行解码，数据传输一个阶段后，可以进行互换，进而能够保证整个音频信号传输的不受影响的高效性。4.3.4车载外设通信车载外设主要是帮助整个设计实现了显示和功放的功能，本章主要是介绍了外设和整个系统的通信原理和整个显示以及功放的完整过程。（1）通信协议在设计中主控制端和外设之间的通信主要是通过RS485进行数据传输。因为RS485的四线制接线方法只能实现点对点，所以在选择时直接放弃，进而选择了二线制接线这种方法，这种方法主要是能够直接实现在一条总线上挂接32个节点，主机和外设通信方式如图4-5：图4-5主机与外设通信框图主机与外设采用的是能够很好屏蔽环境影响的双绞线设计进行信号的传输，如果外设出现了问题不会影响总线的继续传输。在整个工作过程中，主控端为整个系统信号传输的起始点，除此之外的从机都为外设使用，只能在主控制器发出信号之后才能响应。同时两者在除了数据发送时处于发送状态，其余时候都在等待信号的接收，当主控制器发送到站指令，外设开始播报，如果在较长时间内主控制器没有在500ms内收到反馈就会连续发送3次指令，如果仍未收到反馈就会判定为外设损坏。下表主要为通信协议定义：表4-1：通信包结构信息项类型字节数值注解包头标识BYTE10x7e标识通信包的开始通信包目标地址BYTE1通信接收方地址，OxFF为广播地址。广播时外部设备从子包中各取所需，并不需要回应。源地址BYTE1通信发起方地址。包类型BYTE1规定通信包的类型，即“命令字”，包流水号BYTE1回复命令用包体长度UINT162通信包包体长度，即从下一个字节累加到校验位的前一个字节(倒数第三个字节)，也就是所有子包字节数的和。子包1类型BYTE1标识子包1类型子包1长度UINT162子包1包体的长度表4-2：通信包类型说明备注包类型0x01设备自检确认设备是否可用；应答时需要返回硬件版本号和软件版本号。所有设备，需要回应0x02设置时间对设备时钟进行同步，主机发送时间，外部设备进行校时；所有设备。0x03到离站信息播报车内LED、站节牌使用。包含子包：0x02，0x03，0x04，0x050当子包站点类型是首末站时，LED屏需要显示首末站信息，当是中间站时，需要添加“下一站”、"到了”等信息。0x04路牌显ZK主机在报站的前几站发送该命令。0x06设置当前线路号设置报站器当前线路号0x07设置当前线路站点信息设置站节牌站点信息0x10设置车内LED设置上下行、首末站、宣传用语以接收到的包类型回复应答外设的应答命令；当外设收到命令时除广播命令外，都要对主机应答。应答时流水号中填写接收到的包中的流本号；并以接收到的包类型回复。无任何子包，表示确认。表4-3：设备类型值说明备注设备类型0x01车载终端主机0x02报站器0x10-0x1f车内LED屏前LED0x10后LED0x110x20-0x2f站节牌前站节牌0x20后站节牌0x210x30-0x3f路牌前牌0x30侧牌0x31后牌0x32（2）自动报站流程在本设计中自动播报站点信息的实现主要是对于反馈的实时位置信息进行判断，从而实现自动化的播报，首先要通过主控控制器对GPS获取的相关位置信息进行处理，需要将所有的车辆的文字显示和预录制的音频传递给车载外设，进而通过各个模块实现所需要的功能，其实现流程图如图4-6所示。图4-6自动报站流程图播报功能的实现首先需要进行设备的自检，自检信号是通过主控制器和从机启动时自动发出开始自检确定外设设备是否可以正常使用。外设设备则会向主控制器发送三个信号：软硬件版本以及自检结果，自检结果用0和非0表示。如果想要设置一条公共交通路线的信息，并包括往返不同方向的语音播报，以及相关的标识信息，可以将往返路线设置为子包类型0x02，将往返的提醒信息设置为0x03，路线整体的信息通过子包0x09、0x0a设定。时间为子包类型为0x01，格式范例为表4-6，到站和离站的设置为子包类型为0x04，语音播报实现需要使用报站器，他的类型为0x02是一个外设地址，显示通过LED屏、站节牌以及路牌实现相应的需求。如果选择关闭自动播报的功能可以按返回按键则系统状态置为0，则系统停止自动播报，退回功能选择界面。4.3.5GPS数据读取与处理接下来将会介绍GPS模块与主机传输数据的工作流程，GPS是在读取了读取了串口通信后，进行SysTick终止，每一秒读取十六次GPS传输的位置信息。GPS数据获取后会进行处理，包括错误数值的排除以及求平均值等方式，将每秒处理出来的数据与实际位置济宁相应的对比。其流程图如图4-7所示：图4-7GPS数据读取处理流程图如果需要本设计中采用的定时器每秒采集数据十六次，那么在只要每一百二十五次中断一次就可以读取串口的数据；然后经过数据的相应数据处理得到想要的位置信息数据。（1）GPS数据读取协议;PS串口通信协议主要是有A，SA，SV，RMC，VT。在不本设计中采用的协议是A。GGA协议的信息有相应时间、位置信息和相关单位等；GGA协议如下：表4-10：GGA协议MessageIDUTCTimeLatitudeN/SIndicatorLongitudeE/WIndicatorGGAprotocolheaderhhmmss.sssddmm.mmmmmmN-northorS=southdddmm.mmmmmmE=eastorW=westPositionFixSatellitesGeoidalIndicatorUsedHDOPMSLAltitudeUnitsSeparation0:FixnotavailableKGPSfix2:DifferentialGPSfixRange0to14Horizonta1DilutionofPrecisionAntennaAltitudeabove/belowmean-sae-levelUnitsofantennaaltitudeUnitsAgeofDiff.Corr.Checksum<CR><LF>UnitsofgeoidalseparationNullfieldsWhenDGPSisnotusedEndofmessagetermination（2）GPS数据处理为了实现自动报站的功能需要对GPS获取到的位置信息不停的进行获取，在经过数据的处理得出相对来说较为准确，能够满足使用的实际位置信息。如果使用自动报站的功能，需要提前录入各个站点的位置信息，每当公交车到达一个站点后就将会读取下一个站点的实际位置与自身的实时位置进行对比准备下一次的到站播报。球面上经纬度距离计算公式为：(4-1)其中R是地球半径，当前公交车的实际位置的纬度角为β1，经度角α1；预设下一站站点的纬度角β2，经度角α2。4.3.6距离算法使用公式(4-1)计算时候发现如果行驶的轨迹不是直线则会对实际距离产生误判，得出有着较大误差值的数据，为了解决这个问题，本设计准备了两种对距离进行计算的方式方法。一是拐点阈值法，二是三角计算法。拐点阈值法的优势是计算简单。只要在曲线的线路中提前存入部分站点的位置信息就可以通过改变预测站点的距离阈值来改变，但对于非矩形角度和S形路径，这种计算方法同样会产生一些误差(阈值设置可以改变)。在本设计中直线站点的距离为五十米，拐点阈值设置为三十八米。如果车辆当前经纬度与站点经纬度之间的距离为三十八米，那么则判断为到站。三角计算法的优势就是能够适应复杂的路况和行驶状态，很好的计算出相应的距离，但也因此有着巨大的计算量。三角计算法通过余弦定理计算，每两秒经过的两个经纬度以及预设站点经纬度对当前车辆运行方向进行计算，由余弦定理:(4-2)得(4-3)使用当前经纬度信息得到的位置信息和设置的站点连线发现为一个直角三角形，再通过车辆和此三角形斜边的夹角读书能够大概的估算出车辆的移动距离为S，即:(4-4)S=(cosA+sinA)*SAC此算法主要是为了避免在不是直角形的路口对相应的距离产生判断上的而误差，所以设定车辆行驶角度如果小于十度的时候可以选用直线距离的计算方法简化运算。4.4本章小结在本章节中，主要详细解释了自动报站设计的软件部分的相关设计：音频的采集、功放和编码；通信；自动识别到站等。音频的采集和功放主要为AD\DA进行的实现。语音编码的设计主要是为Speex音频压缩与解压缩、音频文件的相关设计。通信接口的相关设计重点包括SPI通信部分和RS485通信部分。自动识别到站是通过采集位置的数据信息，进而进行处理，然后运行交互的方式实现功能。

第五章公交报站系统测试与数据分析目前的公共交通自动播报系统的软硬件相关模块的设计已经基本完成了，本章主要是通过对某条公交车路线作为测试线路，通过获得数据进行分析，对系统的稳定、准确以及实时效果进行判断。5.1站点位置信息录入在实际的运营中，公共交通要实现报站的功能需要知道准确的到占位置，在本设计中提前录入了通过GPS获取到的各个站点的相关数据。下表就是测试路线中各个站点的位置的相关数据信息，此条线一共有着四十九站，下表给出了其中的二十个站点的详细数据，按照下表所示将数据传输到系统中。表5-1站点上行位置信息表路线上下行车站序号GPS经度EGPS纬度N1路上行1120.598933L2673331路上行2120.60278731.2678031路上行3120.60358431.2663321路上行4120.60388131.2636661路上行5120.60774931.262391路上行6120.61228131.2625241路上行7120.614731.2642321路上行8120.61374631.269751路上行9120.6132531.2727491路上行10120.6158673L2743961路上行11120.62365731.2755791路上行12120.62316831.2783431路上行13120.62202431.2841091路上行14120.62155131.2872941路上行15120.62097131.2928581路上行16120.62136831.2943031路上行17120.62682331.2950511路上行18120.62851731.29681路上行19120.62858531.30011路上行….……1路上行49120.6406431.422569表5-2站点下行位置信息表路线上下行车站序号GPS经度EGPS纬度N1路下行47120.59899931.2673331路下行46120.60260331.2680661路下行45120.60368331.266051路下行44120.60401531.263451路下行43120.60756331.2625521路下行42120.61246431.262751路下行41120.6146163L2640341路下行40120.61343331.270651路下行39120.61301831.2736491路下行38120.61749231.2742841路下行37120.62320731.2763861路下行1路下行36120.62195531.2829241路下行35120.62141431.2864991路下行34120.620719312908591路下行1路下行33120.62691431.295121路下行32120.62843331.29641路下行31120.62844831.3002161路下行1路下行1120.64082331.422252同一条公交路线可设置为上行和下行两种，上行下行的部分站点是不相同的，有的站点在不同方向会被取消，所以进行标注时十分有必要的，以1路公交为例，表格5-1，5-2可以看到，在上行的路途中，其中第十二个和第十六个是存在的站点，而在下行的路线中这两个站点是被取消了的。通过经纬度数据进行观察，上下行的线路中，两个站点之间的距离应该使用公式(4-1)计算为有51.56米，由此可知两个相邻的站点之间的距离不远，但因为本设计为五十米之内系统就会自动判断为已经到站，所以类似这种站点应该使用提示信息防止乘客产生错误的判断。5.2数据分析本小节将对实际采集到的数据进行处理和分析，对系统的稳定、准确以及实时效果进行观察，判断能否满足实际的要求。5.2.1预报站实际距离（1）直线距离的相关算法利用公式4-1进行距离的计算，在此设计中采用的报站距离为五十米，在目标距离小于五十米三秒后就会自动开始播放到站音频，而在实际的测试中发现公交站的线路实际距离太过遥远，选择公交进行测试并不具有便利性，所以采用了电瓶车进行测试，保持速度为二十千米每小时，同时为了消除误差多次测试，选择了上行路线中的七个站点。实验结果如表5-3所示:表5-3预报站实际距离表站点名称ABCDEFG设定报站距离/m50505050505050实际报站距离/m30.535.54032.64270345.5图5-1预报站实际距离图在图5-1中，大多数站点的实际报告距离小于50m。在大致相同的速度下，根据实际路线，车站的实际距离约为40米，包括F站，最长可达70米。由于车站位于红灯交叉口，测量系统的直线距离小于50m，而且在红灯影响下，其中三个符合进入条件，数据提示系统必须设置转弯角度阈值限制，这需要对系统进行进一步改进，以设计优化的距离算法。（2）拐点阈值法在此设计中采用的报站距离为五十米，在目标距离小于五十米三秒后就会自动开始播放到站音频，直角设定为三十八米。实验的环境条件与上一算法相同。实验数据如表5-4所示：表5-4预报站实际距离表站点名称ABCDEFG设定报站距离/m50505050505050实际报站距离/m30.336.542.53341.342.540.9图5-2拐点阈值法预报站实际距离图图5-2与图5-1相比较而言，除了F站，其他站点的测试结果不相上下，但是在F点报站结果有了提升，证明了该计算方法更适合于距离计算。（3）三角计算法在此设计中采用的报站距离为五十米，在目标距离小于五十米三秒后就会自动开始播放到站音频。实验的环境条件与上一算法相同。在实际的调研中发现正常的行驶中不会出现S形状的路线，所以本次实验进行自主线路的测试，路线为两个半径为二十五米的四分之一圆连的S型路。实验数据如表5-5所示；表5-5预报站实际距离表站点名称ABCDEFGS型路径设定报站距离/m5050505050505050实际报站距离/m40.238.541.139.140.140.341.839.9图5-3三角计算法预报站实际距离图由图5-3、图5-2和图5-1相比较而言，该方法除了能解决直角路线的误判问题，甚至还能很好的解决掉S形状的路线的相关问题。5.2.2到站实际距离在本设计中设计的为在到站距离为连续一秒距离目标站点小于十米的时候开始自动播报到站信息，为了方便重复性的实验采用电动车保持速度在十千米每小时，选择上行路线的其中七个站点。实验数据如表5-6所示：表5-6到站实际距离表站点名称ABCDEFG设定报站距离/m10101010101010实际报站距离/m7.577.68.57.17.37.5图5-4到站实际距离图由图5-6中可得在实验过程中的所有站点的到站距离都是小于十米的，但是其中受一些因素影响，使得报站的实际距离大概为七点五米左右，且因为公共交通基本为直线不会对站点进行误判，同时两秒的误差也在报站误差的接受范围之内，所以可以得到结论，本设计可以准确地进行到站播报功能。5.2.3速度对报站的影响因为在实际应用中车速肯定定会有所不同，为了测试这方面面对于自动播报功能的影响，再次进行车速实验。表5-7为在同一地点及直线线路上测定：表5-7速度-报站距离表速度km/h11020304050预报站距离/m49.240.534.325.616.27.5到站距离/m9.78.15.33.2-1.2无因为在设计中设置的为一秒刷新一次位置信息，所以当车速很快的时候可能会影响对于距离的判断，表5-5为实验多次之后得出的平均值。在设计中考虑设计的是进入站点需三秒，而播报站其中的两秒，所以车速小于三十千米每小时的时候，预报站与到站的播报不会互相影响，当速度在四十千米每小时的时候播报出现在-1.2m，速度在五十千米每小时的时候，到站播报没有正常播放，这是因为在预报站过程中车辆超过了预设位置的十米之外。由表5-7能够知道以下信息，当公交车的速度超过一定数值之后会对系统的判断产生影响，但是实际车辆进站之前一般不会超过三十千米每小时且车辆会在站处停车；但是也为避免出现实验中的问题，系统可设定预报站位置是一百米，降低连续小于一百米为进站的次数。5.3本章小结本节介绍了位置数据输入的准确性测试，给出了在实验过程中系统的详细性能数据，也分析了其中仍然存在的一些缺陷，研究了ODS的准确、稳定和实时的能力问题，最后得出结论，本设计是能够满足需求和预期的。

第六章总结与展望6.1总结本设计主要是实现了公共交通到站自动播报到站信息的新系统，解决了部分地区需要人工报站的困境，使得整个公交系统变得更加智能、准确和便捷。使得居民的整体生活变得更加方便准时，也与此同时减少了司机的工作任务。在本次设计中主要使用了GPS、语音编解码、SPI通信和RS485通信整合在一个设计应用中。其中RS485通信的方法直接解决了在公共交通运行过程中信息传递不稳定的事情，也解决了系统兼容性的问题，使得系统可以容纳多种的外设装备。本设计根据实际的民众需要进行调研从而进行设计，完成了需求所需要的稳定性高，具备安全性和众多功能的报站系统。在本文中详细的介绍了需要的功能、软硬件的选择和开发等等直至系统整体目标的实现。对于系统硬件进行了介绍和解释，对相关电路和接口进行了分析。其中包含了主控芯片的最小系统，存储、RS485通信、电源、显示、定位和输入输出的模块的相关电路设计。主控系统使用STM32F405作为根本，外设使用了GPS进行定位、SD卡进行储存、MCP601低功耗运算放大器以及TS4871音频放大器设计音频电路，同时也介绍了外设与主控系统之间如何实现通信。而系统的软件方面主要是音频的采集、功放和编码；通信；自动识别到站等。音频的采集和功放主要为AD\DA进行的实现。语音编码的设计主要是为Speex音频压缩与解压缩、音频文件的相关设计。通信接口的相关设计重点包括SPI通信部分和RS485通信部分。自动识别到站是通过采集位置的数据信息，进而进行处理，然后运行交互的方式实现功能。6.2展望因为本此次设计的系统内置了GPS模块，后续还可以有许多功能可以扩展。例如，获取公交车辆的实时位置，方便乘客登车提供更高的效率，可以影响公共交通的数量配置，有效提高公共交通的利用率，节省了没有必要的社会资源。目前的设计中通过GPS获得的数据已经足够满足需求，但是社会科技是不断进步和发展的，北斗卫星技术不断成熟，如果能够在未来采用组合定位的方式来获取位置信息那么将会得到更加精密的定位。使得在对运营的公共交通位置信息能够更加精确的实时掌握，而不受周围环境的影响。当然，在本设计中还有着一些改进空间能够进步，比如：目前的设计中功能仍旧较为单一和简单。除了考虑在GPS受到环境的干扰时能够手动报站外，还应考虑到不同的站点投币量、车辆行驶状态提示、广告或城市宣传影音、自动打开和关闭车门、速度警告等。

参考文献[1]王顺礼.智能公交系统设计及调度研究[D].哈尔滨工程大学，2014.[2]WeisSA,SannaSE,RivestRL,etal.SecurityandPrivacyAspectsofLow-CostRadioFrequencyIdentificati